Cette illustration montre 3 étapes utilisées par les astronomes pour mesurer le taux d'expansion de l'univers (constante de Hubble) avec une précision sans précédent, réduisant l'incertitude totale à 2,3 pour cent. Les mesures rationalisent et renforcent la construction de l'échelle de distance cosmique, qui est utilisé pour mesurer des distances précises aux galaxies proches et éloignées de la Terre. La dernière étude de Hubble étend le nombre d'étoiles variables céphéides analysées à des distances jusqu'à 10 fois plus éloignées à travers notre galaxie que les résultats précédents de Hubble. Crédit :NASA, ESA, A. Feild (STScI), et A. Riess (STScI/JHU)
Les astronomes ont utilisé le télescope spatial Hubble de la NASA pour effectuer les mesures les plus précises du taux d'expansion de l'univers depuis qu'il a été calculé pour la première fois il y a près d'un siècle. Curieusement, les résultats forcent les astronomes à considérer qu'ils peuvent voir des preuves de quelque chose d'inattendu à l'œuvre dans l'univers.
C'est parce que la dernière découverte de Hubble confirme un écart persistant montrant que l'univers s'étend maintenant plus rapidement que prévu d'après sa trajectoire observée peu de temps après le big bang. Les chercheurs suggèrent qu'il pourrait y avoir une nouvelle physique pour expliquer l'incohérence.
"La communauté est vraiment aux prises avec la compréhension de la signification de cet écart, " a déclaré le chercheur principal et lauréat du prix Nobel Adam Riess du Space Telescope Science Institute (STScI) et de l'Université Johns Hopkins, tous les deux à Baltimore, Maryland.
L'équipe de Riess, qui comprend Stefano Casertano, également de STScI et Johns Hopkins, utilise Hubble depuis six ans pour affiner les mesures des distances aux galaxies, en utilisant leurs étoiles comme repères kilométriques. Ces mesures sont utilisées pour calculer à quelle vitesse l'univers s'étend avec le temps, une valeur connue sous le nom de constante de Hubble. La nouvelle étude de l'équipe étend le nombre d'étoiles analysées à des distances jusqu'à 10 fois plus éloignées dans l'espace que les résultats précédents de Hubble.
Mais la valeur de Riess renforce la disparité avec la valeur attendue dérivée des observations de l'expansion de l'univers primitif, 378, 000 ans après le big bang - l'événement violent qui a créé l'univers il y a environ 13,8 milliards d'années. Ces mesures ont été effectuées par le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne, qui cartographie le fond diffus cosmologique, une relique du big bang. La différence entre les deux valeurs est d'environ 9 %. Les nouvelles mesures de Hubble aident à réduire le risque que l'écart dans les valeurs soit une coïncidence à 1 sur 5, 000.
Le résultat de Planck a prédit que la valeur constante de Hubble devrait maintenant être de 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (3,3 millions d'années-lumière), et ne pourrait pas dépasser 69 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cela signifie que pour chaque 3,3 millions d'années-lumière plus loin, une galaxie est de nous, il se déplace 67 kilomètres par seconde plus vite. Mais l'équipe de Riess a mesuré une valeur de 73 kilomètres par seconde par mégaparsec, indiquant que les galaxies se déplacent à un rythme plus rapide que ce qu'impliquent les observations de l'univers primitif.
Les données de Hubble sont si précises que les astronomes ne peuvent pas considérer l'écart entre les deux résultats comme des erreurs dans une seule mesure ou méthode. "Les deux résultats ont été testés de plusieurs manières, donc à moins d'une série d'erreurs sans rapport, " Riess a expliqué, "il est de plus en plus probable que ce n'est pas un bug mais une caractéristique de l'univers."
Expliquer un écart vexant
Riess a présenté quelques explications possibles pour l'inadéquation, tous liés aux 95 pour cent de l'univers qui est enveloppé de ténèbres. Une possibilité est que l'énergie noire, déjà connu pour accélérer le cosmos, peuvent éloigner les galaxies les unes des autres avec une force encore plus grande - ou croissante. Cela signifie que l'accélération elle-même peut ne pas avoir une valeur constante dans l'univers mais changer au fil du temps dans l'univers. Riess a partagé un prix Nobel pour la découverte en 1998 de l'univers en accélération.
Une autre idée est que l'univers contient une nouvelle particule subatomique qui se déplace à une vitesse proche de la lumière. De telles particules rapides sont collectivement appelées "rayonnement sombre" et comprennent des particules précédemment connues comme les neutrinos, qui sont créés dans les réactions nucléaires et les désintégrations radioactives. Contrairement à un neutrino normal, qui interagit par une force subatomique, cette nouvelle particule ne serait affectée que par la gravité et est surnommée un « neutrino stérile ».
Une autre possibilité intéressante est que la matière noire (une forme invisible de matière non composée de protons, neutrons, et les électrons) interagit plus fortement avec la matière ou le rayonnement normal qu'on ne le supposait auparavant.
N'importe lequel de ces scénarios changerait le contenu de l'univers primitif, conduisant à des incohérences dans les modèles théoriques. Ces incohérences entraîneraient une valeur incorrecte pour la constante de Hubble, déduit des observations du jeune cosmos. Cette valeur serait alors en contradiction avec le nombre dérivé des observations de Hubble.
Riess et ses collègues n'ont pas encore de réponses à ce problème épineux, mais son équipe continuera à travailler pour affiner le taux d'expansion de l'univers. Jusque là, L'équipe de Riess, appelé la Supernova H0 pour l'équation d'État (SH0ES), a réduit l'incertitude à 2,3 pour cent. Avant le lancement de Hubble en 1990, les estimations de la constante de Hubble variaient d'un facteur de deux. L'un des principaux objectifs de Hubble était d'aider les astronomes à réduire la valeur de cette incertitude à une erreur de seulement 10 %. Depuis 2005, le groupe a cherché à affiner la précision de la constante de Hubble à une précision qui permet une meilleure compréhension du comportement de l'univers.
Ces images du télescope spatial Hubble présentent 2 des 19 galaxies analysées dans un projet visant à améliorer la précision du taux d'expansion de l'univers, une valeur connue sous le nom de constante de Hubble. Les images composites en couleur montrent NGC 3972 (à gauche) et NGC 1015 (à droite), situé à 65 millions d'années-lumière et 118 millions d'années-lumière, respectivement, Depuis la terre. Les cercles jaunes dans chaque galaxie représentent les emplacements des étoiles pulsantes appelées variables céphéides. Crédit :NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)
Construire une échelle de distance solide
L'équipe a réussi à affiner la valeur constante de Hubble en rationalisant et en renforçant la construction de l'échelle de distance cosmique, which the astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.
But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. Au lieu, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.
Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, donc, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.
Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.
The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 light-years from Earth, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.
Scanning the Stars
To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.
Par conséquent, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.
The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.
Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.
"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."
The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.
